CN1989673B - 差动电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

一种检测电路检测一个源电流和一个返回电流之间的差异。所述检测电路包括一个恒定偏置的磁芯，所述源电流和返回电流的导线穿过所述磁芯而延伸；一个围绕所述磁芯的读出绕组。所述读出绕组传送一个交流(AC)信号。一个与所述读出绕组相连的传感电路感测所述读出绕组的相对于所述磁芯的小信号阻抗的变化。该检测电路可用于在意外接触到高电压直流电(DC)系统时，保护人员和设备。

Description

差动电流检测电路
技术领域
  本发明一般地涉及检测接地故障电流和其它差动电流，且更特别地涉及在直流(DC)电路中检测差动电流。 
背景技术
电气法规一般要求多个接地故障电路断路器(GFCI)安装在多个位置。在住宅中，例如，可要求GFCI安装在厨房、浴室和车库。许多用于120VAC和/或240VAC电路的接地故障保护器可从市场购得。一个典型的家用GFCI使用一个差动电流互感器，该差动电流互感器能够在一对载有15安培交流电的电线中检测到小至5毫安的差动电流。检测到的源电流和返回电路之间的差异通常表示出接地故障的存在。建筑法规经常规定，例如，响应于测得的大于5毫安的接地故障电流时，120VAC电路将被断开。 
尽管差动电流检测装置在用于交流电路时，通常价廉且有效，但是它们并不被设计用于检测直流(DC)电路中的故障。尽管已有具备DC接地故障跳闸功能的电路断路器可利用，当人们选用时，它们通常价格昂贵，且对于检测通常被规定为接地故障跳闸阈值的相对较低电平的故障电流不够敏感。 
一个用于DC电路的增长领域是为电动车和混合电动车提供功率。汽车电源可提供例如介于400和800伏DC之间的高电压，并期望在这些系统中提供接地故障检测。然而，如前所述，现有的差动电流检测装置价格昂贵，且不足以检测DC电路中的差动电流。 
发明内容
在一个实施例中本发明涉及一种用于检测源电流和返回电流之间差异的检测电路。该检测电路包括一个恒定偏置的磁芯，所述源电流和返回电流的导线穿过该磁芯而延伸。该检测电路还包括一个围绕该磁芯的读出绕组。该读出绕组传送(carry)一个交流(AC)信号。一个与该读出绕组相连的传感电路感测该读出绕组的相对于磁芯  的小信号阻抗的变化。 
在另一个实施例中，一个用于检测在源电流和返回电流之间差异的检测电路包括一对磁芯，源电流和返回电流的导线穿过该磁芯而延伸。一个偏置绕组和一个读出绕组围绕着每个磁芯。该偏置绕组传送反向的DC信号。该读出绕组携带一个AC信号。一个由该AC信号驱动的传感电路感测至少一个工作点相对于至少一个磁芯的偏移，该至少一个工作点是由至少一个DC信号来设定的。 
另一个实施例中的检测电路检测源电流和返回电流之间差异。该检测电路具有一个磁芯，源电流和返回电流的导线穿过该磁芯而延伸。一个偏置绕组和一个读出绕组围绕着该磁芯，该偏置绕组传送一个DC信号，该读出绕组向该磁芯提供一个小信号阻抗。一个传感电路感测该小信号阻抗的变化。 
检测源电流和返回电流之间差异的方法的一个实施例，包括使源电流和返回电流穿过一对反向偏置的磁芯。该方法还包括在围绕磁芯之一的读出绕组中产生一个小信号阻抗，并感测该小信号阻抗的变化。 
在另一个实施例中，一个车辆包括一个用于在该车辆的电路中检测源电流和返回电流之间差异的检测电路。该检测电路包括一个磁芯，源电流和返回电流的导线穿过该磁芯而延伸，还包括围绕着该磁芯的一个偏置绕组和一个读出绕组。该偏置绕组由一个DC信号施加偏置。该读出绕组传送一个AC信号。一个与该读出绕组相连的传感电路感测一个工作点相对于该磁芯的偏移，该工作点是由该DC信号设定的。 
通过下文提供的详细描述，本发明的更多适用领域将变得更为明显。应当理解，这些详细描述和具体实例在示出本发明示例性实施例的同时，仅仅旨在说明的目的，而并不意味着限制本发明的范围。 
附图说明
借助于详述的说明书和附图，将更完整地理解本发明，其中： 
图1为一个根据本发明一实施例的检测电路的示意图，该  检测电路用于检测一车辆电气系统中源电流和返回电流之间的差异； 
图2为一个根据本发明一个实施例的检测电路的示意图，该检测电路用于检测一车辆电气系统中源电流和返回电流之间的差异； 
图3为一种方法的一个实施例的流程图，该方法用于监视通过两导线的差动电流。 
图4为根据一实施例的一个磁芯的示例性磁滞回线的曲线图。 
图5为根据一实施例的电容电压相对于磁芯H场(H-field)的曲线图，该图还示出了磁芯工作点的偏移。 
图6为根据一实施例的差动电流测量值相对于DC接地故障电流的曲线图。 
具体实施方式
以下示例性实施例的描述在本质上仅为示例性的，并且不以任何方式意图限制本发明及其应用或其用途。 
在图1中，以附图标记10来总体上表示一个检测电路的实施例，该检测电路用于检测源电流和返回电流之间的差异。该检测电路10包括在例如一个电动车辆或混合机车16的电源电路12中。然而，可以设想本发明的实施例可用于其它用途中。 
该检测电路10包括两个磁芯，例如铁氧体磁芯14。电源电路12中的两根导线18穿过该磁芯14而延伸。两导线18分别使源电流和返回电流在一个诸如电池的电源和一个汽车16的电负载之间传导。该源电流和返回电流可为例如介于400和800伏之间的高压DC电流。然而，实施例还可与更高和/或更低电压结合使用。 
如下进一步所述，利用DC电流沿相反方向给每个磁芯14施加偏置。每个磁芯14还具有一个连接到AC电源26的读出绕组22。一个传感电路30包括分别与该读出绕组22串联连接的电容34。如下进一步所述，电容34由AC电源26驱动。应当指出，如下进一步所述，该传感电路30可以多种方式实现，以使磁芯14的工作点的变化能够被感测。 
在图2中更详细地示出了电路10。可调DC电流源38由  一个控制器42控制，并连接到每个磁芯14上的偏置绕组46。该控制器42发出一个或多个数字信号，该信号被转换成模拟信号并输入到该电流源38，以产生DC偏磁场，该偏磁场典型地以每米的安匝数(amp-turns per meter)的单位来表示。如下进一步所述，通过该电流源38利用DC电流给每个磁芯14施加偏置，优选地致使该磁芯的H场达到适度饱和的电平。给磁芯14恒定地且相反地施加偏置，以使该H场方向相反。在另一实施例中，磁芯14可包括被永久偏置的永久磁性部件，以提供相反的H场。 
串联组合的读出绕组22和电容34接收一个例如正负峰间电压约为20伏、频率fosc介于大约10和20kHz之间的正弦电压，例如频率约为14kHz。然而，也可使用其它的电压和/或频率。来自电压源26的信号并不必须为正弦信号，而是可以为其它随时间变化的信号。 
电容34上的电压信号VC1和VC2被处理，以产生一个表示穿过导线18的差动电流的模拟信号50。在一个实施例中，对于电压信号VC1和VC2的模拟处理包括包括使用差动放大54、带通滤波58和AC到RMS转换62，该带通滤波58可使一个带宽通过，该带宽以来自AC电源26的信号的频率fosc为中心。该AC到RMS转换将具有振荡器频率的AC转换成一个与该差动信号的RMS成比例的DC(或缓慢变化的)信号。该控制器42将信号50转换成一个数字信号，其用途如下所述。电压VC1和VC2的幅度也作为模拟信号输入到控制器42，该控制器42将它们转换成数字信号。电压VC1和VC2的幅度可被控制器42用于例如校正该电路10。一般而言，应当理解，图2中示出的信号处理部件仅为示例性的，并且多种不同的模拟和/或数字信号处理部件和/或其组合可被用于各种实施例中。 
控制器42使用差动信号50来确定通过导线18的差动电流的存在。控制器42可根据图3中以附图标记70表示的方法来监视电压信号VC1和VC2。参见图2和图3，在步骤80中，该控制器例如通过为磁芯14校准偏移来启动电路10，并通过调整来自电流源38的DC偏置电流来启动电压信号VC1和VC2。如果在步骤86中，控制器42检测到一个差动电流信号50，该电流信号50具有超过预定阈值的幅度，则在步骤88中，该控制器42向一个停机电路(未示出)发出一个信  号66，该停机电路将车辆电源电路12断开。该停机电路还可执行各种准备断开电路12的步骤。如果在步骤86中没有检测到差动电流，控制返回到步骤86。 
磁芯14的一个示例性磁滞回线在图4中以附图标记100来一般地表示。选择一个DC偏置电平，以使该B-H回线100优选地在一个由DC偏置电流设定的工作点104处弯曲，但不深入到饱和状态。磁芯读出绕组22的小信号阻抗(也称作动态或AC阻抗)，例如在该工作点104处随着B-H回线100的斜率而变化。 
如图4所示，如果该偏置点被进一步偏移到饱和状态中，例如，从点104到点108，则工作点108具有比工作点104更为水平的斜率(horizontal slope)，且磁芯读出绕组22的小信号阻抗(电感)减小。如果该偏置点被偏移离开饱和状态，例如，从点104到点112，则由于工作点112具有比工作点104更为垂直的斜率(vertical slope)，磁芯读出绕组22的小信号阻抗(电感)增加。可以理解，尽管优选地在曲线100上选择该工作点104，以使由工作点变化引起的小信号阻抗的变化最大化，但是也可选择一个或更多个可选的工作点。 
当检测电路10在使用中时，每个电容34上的电压依据给出的电容34和相关的读出绕组22的阻抗而产生。优选地，当不存在通过导线18的差动电流时(例如，正如当不存在接地故障电流时的情况)，在每个电容34上出现相同的电压波形。这里，例如，电路元件的变化在两个电容34上造成初始差动电压，能使这种电压为零和/或滤波这种电压，以减小电路10中的噪音。 
如果存在一个通过导线18的差动电流，例如在接地故障的情况下，这种差动电流为每个磁芯14产生一个附加的H场分量。该附加的H场分量增加了一个磁芯14中的偏磁场，并减弱了另一磁芯14中的偏磁场。这种偏磁场的变化导致电容电压在一个电容34上下降，并在另一个电容34上升高。电容电压的差异基本上与该接地故障电流成比例。 
图5中示出了示例性的工作点偏移，其中以附图标记200来表示电容34的电压相对于磁芯H场的曲线图。曲线204表示了相对于磁芯14中H场的电容(一个或多个)34的电压。优选地，实线箭头208表示在穿过导线18的电流无差异的情况下两个磁芯14中相同的工作  点。虚线箭头212和216表示磁芯14已分别向左和向右偏移的情况下磁芯14的工作点，该偏移是由于穿过导线18的电流差异造成通量而引起的。 
读出绕组22的小信号阻抗受到例如这种读出绕组22的匝数、与这种读出绕组22相联系的磁芯14的面积、磁芯14的材料(一个或多个)以及传感电路30的工作频率的影响。优选地，两个磁芯14的这些参数相同。该读出绕组的阻抗受到通量级的影响。优选地，两个磁芯14相同。一个示例性的磁芯14可具有12.7cm的平均路径长度，且直径大约为2英寸。磁芯14可为例如从Pennsylvania州Butler市Spang & Company一个分部Magnetics(磁性元件)获得的MagneticsOP44925环形磁芯。一个示例性的DC偏置绕组46具有大约十(10)匝，且传输大约1.0安培的偏置电流。偏置电平可为，例如，大约80安培/米。一个示例性的读出绕组22具有大约五十(50)匝。信号源26提供一个例如大约14 kHz和大约20伏正负峰间电压的信号。示例性传感电容34可具有大约为0.1μF的电容。 
通过感测电容34之间的电压差，检测电路10获得一个相对于DC接地故障电流基本上呈线性的测量值，如图6所示。通过仅仅测量电容电压差异的幅度，仅仅感测了接地故障电流的大小。如果还测量了相位，则还可确定故障电流的极性。该电路10还可测量那些频率远低于传感信号频率fosc的AC接地故障电流。在频率fosc为14kHz时，例如，该接地故障检测电路10可被用于监视同时具有AC(例如60Hz)和DC成分的复杂接地故障电流。 
在一个实施例中，例如，可通过调整一个或两个磁芯14中的偏置电流，通过使磁芯14之间由于体积、材料和/或其它差异引起的任何偏差为零，和/或通过将电容34的电压校准到零，从而将电容之间的初始差动电压信号校准到零。微控制器42可用于执行这种校准。也可例如在感测电容34之间差动电压中，通过使用一带通滤波器来提高抗干扰度。 
利用前述差动电流检测电路和方法，可提供一种低成本的接地故障断路器。这种电路断路器可与高压DC系统结合使用，还可测量低电平的故障电流。本发明的实施例还可用于检测AC和DC的接地故障电流的组合。例如，如果当在一电动车上产生辅助AC功率时或者  当车辆被连接到一个公用设施充电时发生接地故障，则这种电流可能产生。 
前述电路和相关方法提供了DC电路中差动电流的检测，且特别良好地适用于检测DC接地故障电流。与现有技术的DC差动电流检测电路相比，根据在此描述的原理所实现的检测电路既简单又廉价。此外，前述检测电路可用于在保持与高压电路电绝缘的同时以足够低的电平来检测接地故障，以便保护人员。故障电流可被检测，而例如用于电动和混合车辆的正常工作电流可通过该检测电路。 
通过以上描述本领域的技术人员现在能够理解，本发明宽泛的教导能够以多种形式来实现。因而，尽管已经结合本发明的具体实例来描述本发明，但本发明的真正范围不应局限于此，这是因为在学习了附图、说明书和以下权利要求之后，其它修改对于熟练的技术人员来说，将是显而易见的。 

Claims (17)

1.一种检测电路，所述检测电路检测一个源电流和一个返回电流之间差异，所述检测电路包括：
一个恒定偏置的磁芯，所述源电流和返回电流的导线穿过所述磁芯而延伸；
一个围绕所述磁芯的读出绕组；
与所述读出绕组连接的AC源，通过所述读出绕组传送AC信号；以及
一个与所述读出绕组相连的传感电路，所述传感电路感测所述读出绕组的相对于所述磁芯的小信号阻抗的变化，
其中所述磁芯包括第一磁芯，并且所述读出绕组包括第一读出绕组，所述检测电路还包括：
恒定偏置的第二磁芯，所述源电流和返回电流的导线穿过所述恒定偏置的第二磁芯而延伸，相对于所述第一磁芯反向地给所述恒定偏置的第二磁芯施加偏置；以及
围绕着所述第二磁芯的第二读出绕组，所述第二读出绕组传送所述AC信号；
其中所述传感电路包括一对电容，所述电容响应于所述小信号阻抗的变化，提供一个差动电压，所述差动电压表示源电流和返回电流之间的差异。
2.权利要求1中的检测电路，还包括围绕着所述恒定偏置的磁芯的一个偏置绕组，由一个DC信号给所述偏置绕组施加偏置。
3.权利要求2中的检测电路，其中在饱和状态附近给所述恒定偏置的磁芯施加偏置。
4.权利要求1中的检测电路，其中所述一对电容分别与所述第一读出绕组和所述第二读出绕组串联。
5.权利要求1中的检测电路，还包括围绕着所述第一和第二磁芯的一对相反地绕制的偏置绕组，由一DC信号给每个偏置绕组施加偏置。
6.一种检测电路，所述检测电路检测一个源电流和一个返回电流之间差异，所述检测电路包括：
恒定偏置的一个磁芯，所述源电流和返回电流的导线穿过所述磁芯而延伸；
一个围绕所述磁芯的读出绕组，所述读出绕组传送AC信号；以及
一个与所述读出绕组相连的传感电路，所述传感电路感测所述读出绕组的相对于所述磁芯的小信号阻抗的变化，
其中所述磁芯包括第一磁芯，并且所述读出绕组包括第一读出绕组，所述检测电路还包括：
恒定偏置的第二磁芯，所述源电流和返回电流的导线穿过所述恒定偏置的第二磁芯而延伸，相对于所述第一磁芯反向地给所述第二磁芯施加偏置；以及
围绕着所述第二磁芯的第二读出绕组，所述第二读出绕组传送所述AC信号；
其中所述传感电路包括一对电容，所述电容响应于所述小信号阻抗的变化，提供一个差动电压，所述差动电压表示源电流和返回电流之间的差异；并且
其中所述检测电路还包括一个控制器，所述控制器消除所述电容上的初始差动电压。
7.一种检测电路，所述检测电路检测一个源电流和一个返回电流之间差异，所述检测电路包括：
一对磁芯，所述源电流和返回电流的导线穿过所述一对磁芯而延伸；
围绕着每个所述磁芯的一个偏置绕组和一个读出绕组，所述偏置绕组传送反向的DC信号，所述读出绕组传送一个来自与读出绕组连接的AC源的AC信号；以及
一个由所述AC信号驱动的传感电路，所述传感电路感测至少一个工作点相对于至少一个所述磁芯的偏移，所述至少一个工作点是由至少一个所述DC信号来确定的；
所述传感电路包括一对电容，每个电容与对应的一个读出绕组串联。
8.权利要求7中的检测电路，其中在饱和状态附近给至少一个所述磁芯施加偏置。
9.权利要求7中的检测电路，其中所述一对电容响应于所述至少一个工作点的所述偏移产生一个差动电压。
10.权利要求9中的检测电路，还包括一个控制器，所述控制器消除所述电容上的初始差动电压。
11.一种检测电路，所述检测电路检测一个源电流和一个返回电流之间差异，所述检测电路包括：
一个磁芯，所述源电流和返回电流的导线穿过所述磁芯而延伸；
围绕着所述磁芯的一个偏置绕组和一个读出绕组，所述偏置绕组传送一个DC信号；以及
一个传感电路，所述传感电路与所述读出绕组串联并且当所述读出绕组传送来自与所述读出绕组连接的AC源的AC信号时感测所述读出绕组的小信号阻抗的变化，
其中所述磁芯包括第一磁芯，所述偏置绕组包括第一偏置绕组，所述读出绕组包括第一读出绕组，所述检测电路还包括：
第二磁芯，所述源电流和返回电流的导线穿过所述第二磁芯而延伸；以及
围绕着所述第二磁芯的第二偏置绕组和第二读出绕组，与所述第一偏置绕组反向地给所述第二偏置绕组加偏置，所述第二读出绕组将所述AC信号从AC源传送到所述第二磁芯；
其中所述传感电路包括一对电容，所述电容响应于所述小信号阻抗的所述变化，提供一个差动电压，所述差动电压表示源电流和返回电流之间的差异。
12.权利要求11中的检测电路，其中所述DC信号在饱和状态附近给包括所述第一磁芯的所述磁芯施加偏置。
13.权利要求11中的检测电路，其中所述一对电容分别与所述第一读出绕组和所述第二读出绕组串联。
14.权利要求11中的检测电路，还包括一个控制器，所述控制器消除所述电容上的初始差动电压。
15.一种包括一个检测电路的车辆，所述检测电路用于在所述车辆的一个电路中检测一个源电流和一个返回电流之间的差异，所述检测电路包括：
一个磁芯，所述源电流和返回电流的导线穿过所述磁芯而延伸；
围绕着所述磁芯的一个偏置绕组和一个读出绕组，由一个DC信号给所述偏置绕组施加偏置，所述读出绕组传送一个AC信号；以及
一个与所述读出绕组相连的传感电路，所述传感电路感测一个工作点相对于所述磁芯的偏移，所述工作点是由所述DC信号设定的，
其中所述磁芯包括第一磁芯，所述偏置绕组包括第一偏置绕组，所述读出绕组包括第一读出绕组，所述检测电路包括：
第二磁芯，所述源电流和返回电流的导线穿过所述第二磁芯而延伸；以及
围绕着所述第二磁芯的第二偏置绕组和第二读出绕组，与所述第一偏置绕组反向地给所述第二偏置绕组施加偏置，所述第二读出绕组传送所述AC信号；
其中所述传感电路包括一对电容，所述电容响应于所述工作点的变化，提供一个差动电压，
其中所述检测电路还包括一个控制器，所述控制器消除所述电容上的初始差动电压。
16.权利要求15中的车辆，其中在饱和状态附近给所述源电流和返回电流的导线延伸穿过的包括所述第一磁芯的所述磁芯施加偏置。
17.权利要求15中的车辆，其中所述一对电容分别与所述第一读出绕组和第二读出绕组串联。
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